探究提高能源利用率的方法

1、探究提高能源利用率的方法班級(jí)xx學(xué)號(hào)1xx8姓名XXxx 前言新能源能源有很多種定義，但歸根到底，能源就是自然界中能為人類(lèi)提供某種形式能量的物質(zhì)資源。能源是社會(huì)存在與發(fā)展永遠(yuǎn)不可或缺的必須品， 是國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的物質(zhì)基礎(chǔ)。它與材料、信息構(gòu)成現(xiàn)代社會(huì)的三大支柱。 能源科技的每一次突破， 都帶來(lái)了生產(chǎn)力的巨大飛躍和進(jìn)步。三次能源危機(jī)的歷史教訓(xùn)告訴我們， 能源關(guān)乎著一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)， 政治命脈。而現(xiàn)如今，作為基礎(chǔ)能源的化石能源， 是不可再生的能源，隨著人類(lèi)的不斷開(kāi)采，化石能源的枯竭是不可避免的， 大部分化石能源本世紀(jì)將被開(kāi)采殆盡。 從另一方面看，由于化石能源的使用過(guò)程中會(huì)新增大量溫室氣體 CO2，同時(shí)可

2、能產(chǎn)能一些有污染的煙氣，威脅全球生態(tài)。因而，我們亟需這個(gè)問(wèn)題的解決方案。一種方案是開(kāi)發(fā)更清潔的可再生能源， 從目前的情況來(lái)看， 這是今后能源科技的主要發(fā)展方向。而另一種方案， 那就是提高能源的有效利用率。 自從開(kāi)爾文提出了熱力學(xué)第二定律，宣判了第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)的死刑之后， 這一種方案就變得沒(méi)有那么受重視。為了解決能源低效這個(gè)問(wèn)題，上個(gè)世紀(jì)出現(xiàn)了一種叫做“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”的熱機(jī)模型，就是用耐熱性好、 導(dǎo)熱系數(shù)小、 膨脹系數(shù)低的高級(jí)陶瓷合成材料制造氣缸蓋、氣缸體和活塞等受熱部件。 但結(jié)果卻令人失望， 他并沒(méi)有像預(yù)測(cè)的那樣提升發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。原因在于熱機(jī)做功的原理是燃料產(chǎn)熱等價(jià)于微觀(guān)粒子的無(wú)序運(yùn)動(dòng)。這個(gè)熱運(yùn)動(dòng)

3、，平均在三維空間上每個(gè)方向的能量各占 1/3 ，而熱機(jī)做有用功的也就三維方向中的一個(gè)方向維度。 其他二維方向上的能量只好作為廢熱浪費(fèi)掉！而“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)” 只是減少了熱傳導(dǎo)的消耗，并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的改變熱能的利用方式，還是以做功的形式把最多 1/3 的熱能轉(zhuǎn)化為其他能量。這意味著古典熱力學(xué)機(jī)理模型 ( 可以理解為熱機(jī) )出現(xiàn)了問(wèn)題，只要是熱做功，在熱機(jī)的前提下，它的效率就被這 1/3 的瓶頸給禁錮了。這個(gè)問(wèn)題，不論對(duì)新能源還是舊能源都是一個(gè)嚴(yán)重影響其利用效率的因素。1.提高能源利用率的必要性新能源1.1.舊能源的現(xiàn)狀對(duì)于不可再生能源，在許多領(lǐng)域都有涉及，在此，我就不籠統(tǒng)的來(lái)看待這種能源利用的情況了，

4、就拿一個(gè)汽車(chē)的能源利用率的具體情況來(lái)分析。在發(fā)達(dá)國(guó)家，能源總量的 40% 左右消耗在交通運(yùn)輸業(yè)上， 而各種汽車(chē)消耗的能量又占全部交通工具能耗總量的 73% 。在我國(guó)，汽車(chē)保有量迅速增加，許多城市甚至實(shí)行了單雙號(hào)限行政策來(lái)緩解城市的交通壓力。汽車(chē)能源消耗、 尾氣污染也大幅度上升。一輛汽車(chē)以 80 公里每小時(shí)的速度行駛時(shí)，每 10 公里耗油約為 1L。根據(jù)汽油的燃燒值進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算得知， 這時(shí)消耗的功率約為 70kW 。這 70kW 是個(gè)什么概念呢？他可以點(diǎn)亮 100W 的照明燈 700 個(gè)。假設(shè)一個(gè)家庭有 10 個(gè)照明燈，那這些能量就是 70 戶(hù)人家的日常用電功率。如此高的能量，那它在汽車(chē)上的利

5、用率如何呢？平均說(shuō)來(lái)，在這 70kW 中，1kW 由于汽油的蒸發(fā)而消失， 當(dāng)然不是真的消失，這 1kW 的碳?xì)浠衔镏皇欠稚⒌酱髿庵?，其化學(xué)能無(wú)法利用，而且還成了化學(xué)污染源，剩下的 69kW 進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)， 大約有 17kW 用于做功，而其余的 52kW 包括了排氣管排出的廢棄熱和散熱器的熱量散失， 兩者約各占一半。 這是最大的一筆能量損耗。廢氣的主要成分是二氧化碳和水以及一些有毒物質(zhì)， 這對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞。 損耗了這么多的能量， 只剩下 17kW 用于做功，但真正用于汽車(chē)驅(qū)動(dòng)的能量更少： 約 5kW 用于發(fā)動(dòng)機(jī)的水箱循環(huán)和空調(diào)， 約 3kW 消耗于傳動(dòng)裝置，最后只有 9kW 到達(dá)驅(qū)動(dòng)輪，

6、而這 9kW 就是汽車(chē)克服空氣阻力和滾動(dòng)摩擦用于驅(qū)動(dòng)的能量。這一賬算下來(lái)，一輛車(chē)的總效率只有大約 13% ?？梢?jiàn)，對(duì)于舊能源而言，即使有 33.3% 的利用率上限， 但還是連一半的利用率都沒(méi)有達(dá)到， 可見(jiàn)提高其利用率是多么的重要，更不用談改變其熱利用方式了。1.2.可再生能源的現(xiàn)狀也許有人會(huì)有疑問(wèn)，對(duì)于可再生能源，既然是可以循環(huán)再生的，還有必要提高它的能源利用率嗎？答案是肯定的， 所謂的可再生能源指的是在自然界可以循環(huán)再生的能源，重點(diǎn)在于再生。那就仍存在許多問(wèn)題， 例如再生時(shí)間，再生成本，再生能源的提取時(shí)間， 提取成本等等。 拿中國(guó)現(xiàn)在的可再生能源發(fā)展的問(wèn)題和障礙和全球的可持續(xù)能源發(fā)展障礙結(jié)合

7、來(lái)看，主要的共同問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：(1). 高成本(2). 市場(chǎng)發(fā)展緩慢(3). 并網(wǎng)難(4). 技術(shù)難點(diǎn)多新能源(5). 相關(guān)政策少(6). 各地區(qū)相關(guān)技術(shù)發(fā)展不均衡等諸多的問(wèn)題限制著可再生能源的發(fā)展速度， 使得現(xiàn)今的社會(huì)， 還是一個(gè)以化石燃料為主的能源結(jié)構(gòu)。 因此，在我看來(lái)， 如今解決能源資源緊張的問(wèn)題的根本方法，并不是尋找新能源來(lái)代替舊能源， 而是改變傳統(tǒng)熱機(jī)的熱利用方式。 尋找新能源只是一條避開(kāi)改變傳統(tǒng)熱機(jī)的熱利用方式這個(gè)高成本， 高技術(shù)方法的另一條蹊徑。但不能回避的是， 新能源也面臨著利用率的問(wèn)題， 如果還是用傳統(tǒng)的熱機(jī)做功。那將會(huì)和舊能源一樣，資源浪費(fèi)還是一個(gè)大問(wèn)題。 這就像一個(gè)富家

8、子弟，很喜歡花錢(qián)，一開(kāi)始家里有金山銀山（指舊能源） ，隨著時(shí)間推移，家底變得單薄，為了能讓自己的子孫后代有錢(qián)花，他去尋找新的金山銀山（新能源） ，但他還是那么的會(huì)揮霍。一代接著一代，最后，他的子孫把金山銀山都挖空了，才意識(shí)到，自己祖先的解決之道，只是臨時(shí)的，根本的方法是要改變自己的消費(fèi)習(xí)慣，祖先們因?yàn)檎驹诮鹕街畮p， 看不到這個(gè)問(wèn)題，但如果真等到我們站在 “山坡之頂”才意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，那時(shí)候我們估計(jì)已經(jīng)變成乞丐了。2. 提高能源利用率的可行性在熱能轉(zhuǎn)化成其他能量的過(guò)程中，傳統(tǒng)上有兩種方法可以提高其轉(zhuǎn)化效率，一種是降低其熱量在熱傳遞過(guò)程中的損失，比如在前言中描述的“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”就是這種方法的具體實(shí)

9、現(xiàn)，另一種就是提高熱做功的效率，減少無(wú)用功的出現(xiàn)，舉些最簡(jiǎn)單例子： 在燒煤的過(guò)程中， 如果煤炭足夠碎， 在熱機(jī)中的燃燒面積足夠大，那么煤炭的利用率就會(huì)越高；減少熱機(jī)的摩擦生熱等等。而在本篇論文中，探討的是一種基于新型熱機(jī)： “無(wú)熱發(fā)動(dòng)機(jī)”的高利用率方法。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)都是依靠熱做功來(lái)產(chǎn)生機(jī)械能， 一旦熱產(chǎn)生， 熱運(yùn)動(dòng)就會(huì)開(kāi)始，微觀(guān)上，空氣中的微觀(guān)粒子就會(huì)開(kāi)始無(wú)序運(yùn)動(dòng)，這個(gè)時(shí)候， 2/3 的能量損耗過(guò)程就不可避免的開(kāi)始了。而“無(wú)熱發(fā)動(dòng)機(jī)”沒(méi)有產(chǎn)熱，舊能源 (包括新能源 )沒(méi)有產(chǎn)熱，新引擎 100% 做功才會(huì)成為可能！也就是舊、新能源微觀(guān)做有序的一維運(yùn)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率才能突破 1/3 的瓶頸。除此之

10、外，沒(méi)有了產(chǎn)熱，由燃燒所產(chǎn)生的廢氣也不會(huì)排放到大氣中，環(huán)境也會(huì)改善。那么怎么才能實(shí)現(xiàn)“無(wú)熱發(fā)動(dòng)機(jī)”呢？很遺憾，目前，還沒(méi)有投入使用的該類(lèi)型發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在實(shí)驗(yàn)室中，這種發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有了雛形。我們都知道，記憶合金在外力作用下會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)把外力去掉， 在一定的溫度條件下， 能恢復(fù)原來(lái)的形狀。美國(guó)發(fā)明家班克斯就利用記憶合金制成了一臺(tái)熱機(jī)，它既不需要燃料，也不需要電能，而且不排放廢氣，只需要兩個(gè)有一定溫差的水域，當(dāng) U 形的記憶合金絲從冷水進(jìn)入熱水時(shí)， 它就憑著記憶突然彈開(kāi)， 彈力的一部分可驅(qū)動(dòng)其他新能源連帶的裝置運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈開(kāi)的記憶合金絲回到冷水時(shí)，它憑著“記憶”又彎曲起來(lái)，回到原來(lái)的U 形形狀。報(bào)告中

11、只是說(shuō)他利用了記憶合金彈開(kāi)時(shí)的勢(shì)能，而沒(méi)有提及恢復(fù)時(shí)的能量的使用，如果能將U 形記憶合金絲恢復(fù)形狀時(shí)的能量也加以利用，那便可以產(chǎn)生更多的能量。 報(bào)告中最神奇也是最有爭(zhēng)議的一點(diǎn)，就是它違背了能量守恒定律。我們都知道，能量不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化過(guò)程中其總量保持不變。 但在這個(gè)模型中， 維持兩個(gè)水槽之間溫差所消耗的能量，遠(yuǎn)小于熱機(jī)裝置輸出的能量，那到底是我們忽略了哪個(gè)環(huán)節(jié)，還是說(shuō)神圣的能量守恒定律被撼動(dòng)了， 還有待時(shí)間公平的檢驗(yàn)。 如果說(shuō)這個(gè)模型真正存在著問(wèn)題，那也不要緊，它至少給我們提供了一個(gè)“無(wú)熱發(fā)動(dòng)機(jī)”的研究方向，尋找改變傳統(tǒng)熱機(jī)熱做功的方式。3.總結(jié)綜上所述，現(xiàn)代社會(huì)，開(kāi)發(fā)新能源勢(shì)在必行， 而提高能源